DE19605717C1

DE19605717C1 - Faseroptische Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE19605717C1
Application number: DE1996105717
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Bohnert
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1996-02-16
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2016-02-17

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer faseroptischen Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er durch K. Bohnert et al., Coherence-Tuned Interrogation of a Remote Elliptical Core, Dual-Mode Fiber Strain Sensor, JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, Vol. 13, No. 1, January 1995, S. 94-103, bekannt ist. Dort werden 2 faseroptische Meßeinrichtungen zur Messung elektrischer Wechselspannungen beschrieben, bei denen die elektrische Spannung an einen zylinderförmigen Quarzkristall angelegt wird. Eine resultierende, periodische, piezoelektrische Deformation bzw. Umfangsänderung des Quarzkristalls wird auf eine 2Modenglasfaser als Sensorfaser übertragen. Die dadurch hervorgerufene periodische Dehnung der Sensorfaser führt zu einer Modulation des Phasenunterschiedes der beiden räumlichen, optischen Moden LP₀₁ und LP₁₁ (gerade), die sich in der Sensorfaser ausbreiten. Diese Phasenmodulation ist zur angelegten elektrischen Spannung proportional. Zur Messung wird Licht von einem Mehrmodenlaser über die Sensorfaser, eine Einmodenfaser und 2 Modulatoren mit einer 2Modenfaser als Empfangsfaser zu 2 Photodioden geleitet, welche das Interferenzmuster der beiden Moden detektieren. Die differentielle, optische Phase der Moden der Empfangsfaser wird mit Hilfe eines elektronischen Regelkreises und 2er piezoelektrischer Modulatoren derart geregelt, daß die Phasenmodulation in der Sensorfaser gerade wieder kompensiert wird. Die im Regelkreis erzeugte und an den Piezomodulatoren anliegende Regelspannung ist somit ein Abbild der zu messenden elektrischen Spannung. Statt in Transmission kann die Sensorfaser auch in Reflexion betrieben werden. Ein wesentliches Merkmal des Sensors besteht darin, daß Störungen durch Temperaturschwankungen und mechanische Erschütterungen, welche auf die Verbindungsfasern zwischen der Sende- /Empfangseinheit und den Sensorkopf einwirken, das Meßsignal nicht beeinträchtigen. Längenänderungen von Sensor- und Empfangsfaser infolge von Temperaturänderungen führen ebenfalls zu optischen Phasenverschiebungen. Diese sind aber in der Regel so langsam, daß sie problemlos von den periodischen, elektrisch induzierten Phasenänderungen separiert werden können.

In der Hochspannungstechnik kann die zu messende elektrische Spannung bis zu einige 100 kV betragen. Die Phasenverschiebungen in der Sensor- und Empfangsfaser sind dann relativ groß. Die erforderliche Regelspannung zur Kompensation der optischen Phasenmodulation und/oder die Länge der auf die Modulatoren aufgewickelten Empfangsfaser nehmen entsprechend zu. Die Detektion wird damit komplexer. Zudem können bei höheren Regelsignalen Hystereseeffekte der Piezomodulatoren die Signalqualität beeinträchtigen. Im Regelfall sollte die Regelspannung eine Schwelle von wenigen Volt nicht überschreiten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine faseroptische Meßeinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie auch für elektrische Spannungen bis zu einigen 100 kV ohne Einbuße an Meßgenauigkeit und ohne Zunahme der Komplexität einsetzbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein für relativ niedrigere Spannungen bekanntes Meßverfahren ohne große Änderungen auch für Hochspannungen anwendbar wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine faseroptische Meßeinrichtung mit einer polarimetrischen Sensorfaser in Transmissionsanordnung,

Fig. 2a-5a Orientierungen von Faserachsen einer Zuleitungsfaser, der Sensorfaser, einer Rückleitungsfaser und einer Empfangsfaser der faseroptischen Meßeinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 2b-5b angeregte optische Moden in den optischen Fasern gemäß den Fig. 2a-5a,

Fig. 6 schematisch eine faseroptische Meßeinrichtung mit einer polarimetrischen Sensorfaser in Reflexionsanordnung,

Fig. 7 einen hohlzylindrischen Modulator und

Fig. 8 und 9 Interferenzanordnungen bei Verwendung einer polarimetrischen Empfangsfaser.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt schematisch eine faseroptische Meßeinrichtung mit einem Quarzzylinder bzw. einem piezoelektrischen Sensorelement (6) aus Quarz mit einer auf dessen Zylinderumfang gewickelten polarimetrischen Glasfaser bzw. Lichtfaser bzw. Sensorfaser (s) in einer Transmissionsanordnung. Eine polarimetrische Lichtfaser weist 2 zueinander orthogonale optische Hauptachsen (x, y) senkrecht zur Faserrichtung auf. Bei einer vorgegebenen Wellenlänge sind die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) des LP₀₁-Grundmodus ausbreitungsfähig mit Polarisationen parallel zu den optischen Hauptachsen (x, y). Die effektiven Brechungsindizes für die beiden Polarisationen sind unterschiedlich, d. h., die Lichtfaser ist doppelbrechend.

Von einer niederkohärenten Lichtquelle (1), z. B. einer Mehrmoden-Laserdiode, wird Licht über eine hochdoppelbrechende und damit polarisationserhaltende Einmodenglasfaser bzw. Einmodenlichtfaser bzw. Zuleitungsfaser (2) mit 2 zueinander orthogonalen optischen Hauptachsen (x, y), vgl. Fig. 2a, der Sensorfaser (s), vgl. Fig. 3a, über eine Glasfaserverbindung bzw. einen Spleiß (3) zugeführt. In der Einmodenlichtfaser (2) ist das Licht parallel zu einer der optischen Hauptachsen (x, y) eines elliptischen Faserkerns (14) polarisiert, welcher Faserkern (14) von einem Fasermantel (15) umgeben ist. Die Zuleitungsfaser (2) und die Sensorfaser (s) sind in dem Spleiß (3) so zusammengespleißt, daß ihre optischen Hauptachsen (x, y; x′, y′) in einem Winkel von 45° zueinander stehen, wobei die optischen Hauptachsen der Sensorfaser (s) mit (x′, y′) bezeichnet sind. Die optischen Hauptachsen (x, y; x′, y′) dieser beiden verspleißten Fasern (2, s) dürfen allenfalls um einen tolerierbaren Differenzwinkel (ε) von 30°, vorzugsweise von 10° von diesem 45°-Winkel abweichen. In der Sensorfaser (s) sind dann beide orthogonalen optischen Moden bzw. Polarisationszustände des Grundmodus (LP₀₁(x′)) und (LP₀₁(y′)) angeregt und haben bei einem 45°-Winkel die gleiche Amplitude, vgl. Fig. 3b. In der Zuleitungsfaser (2), vgl. Fig. 2b, ist z. B. der Grundmodus (LP₀₁) in y-Richtung angeregt. Die Sensorfaser (s) steht mit einem piezoelektrischen Sensorelement (6), z. B. einem Quarzzylinder, in Wirkverbindung, auf den ein bezüglich seiner Amplitude zu messendes elektrisches Feld einwirkt, welches durch ein Blitzzeichen angedeutet ist.

Nach einem Durchlaufen der Sensorfaser (s) wird das Licht über einen Spleiß (4) in eine weitere polarisationserhaltende Einmodenlichtfaser bzw. Rückleitungsfaser (2′) und von dieser über einen weiteren Spleiß (5) in eine optische 2Modenlichtfaser bzw. Empfangsfaser (r) eingekoppelt.

In einer 2Modenlichtfaser ist bei einer vorgegebenen Wellenlänge neben dem Grundmodus LP₀₁ auch der gerade LP₁₁- Modus ausbreitungsfähig. Die Lichtfaser weist 2 zueinander orthogonale optische Hauptachsen (x, y) senkrecht zur Faserrichtung auf. Beide räumliche Moden (LP₀₁- und gerader LP₁₁-Modus) können sowohl parallel zur x- als auch parallel zur y-Richtung polarisiert sein, sie werden dementsprechend als LP₀₁(x)- und gerader LP₁₁(x)-Modus bzw. als LP₀₁(y)- und gerader LP₁₁(y)-Modus bezeichnet.

Die optischen Hauptachsen (x′, y′; x, y) von Sensorfaser (s) und Rückleitungsfaser (2′) stehen ebenfalls in einem Winkel von 45° ± ε zueinander. Die optischen Hauptachsen (x, y) von Rückleitungsfaser (2′) und Empfangsfaser (r) stehen parallel oder senkrecht zueinander, mit einer tolerierbaren Abweichung von ±10°; sie sind jedoch so zusammengespleißt, daß ihre optischen Achsen, welche in eine zur xy-Ebene orthogonalen z-Richtung zeigen, einen kleinen lateralen Versatz in y-Richtung haben, derart, daß die beiden räumlichen Moden (Grundmodus (LP₀₁) und gerader LP₁₁-Modus) der Empfangsfaser (r) mit etwa gleicher Amplitude angeregt werden, vgl. Fig. 5b.

Fig. 4a zeigt die Orientierung der Faserachsen der Rückleitungsfaser (2′) und Fig. 4b die darin angeregten optischen Moden.

Die Empfangsfaser (r) ist um 1. und 2. Hohlzylinder aus einer piezoelektrischen Keramik bzw. um piezoelektrische Modulatoren (7, 8) gewickelt; sie steht ausgangsseitig über einen als Analysator (9) wirkenden Polarisator mit 2 optoelektrischen Detektoren bzw. Photodioden bzw. Lichtdetektoren (D1, D2) in optischer Verbindung, welche jeweils ausgangsseitig eine Ausgangsspannung (U1) bzw. (U2) liefern, die zur empfangenen Lichtleistung proportional ist. Die Lichtdetektoren (D1, D2) sind so angeordnet, daß sie beide jeweils eine der beiden gegenphasigen Substrukturen des Interferenzmusters detektieren. Der Analysator (9) am Ende der Empfangsfaser (r) ist parallel zu einer der beiden optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) ausgerichtet, d. h., je nach Analysatorstellung wird die x- oder die y-Polarisation der Moden detektiert. Von dieser parallelen Ausrichtung darf der Analysator (9) höchstens um ± 10° abweichen. Die relative Phasenverschiebung der Moden ist bei einer gegebenen Längenänderung der Lichtfaser polarisationsabhängig mit einem Unterschied von typisch 20%-30% zwischen den beiden orthogonalen Polarisationen. Mit dieser Orientierung der Fasern (2, s, 2′, r) erreicht man, daß das Licht der beiden Polarisationsmoden der Sensorfaser (s) jeweils zu etwa gleichen Anteilen auf die beiden räumlichen Moden der Empfangsfaser (r) aufgeteilt wird.

Die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x′)) und (LP₀₁(y′)) der Sensorfaser (s) akkumulieren einen Gangunterschied

ΔL_s = l_S · Δn_g,s,

wobei l_s die Länge der Sensorfaser (s) und Δn_g,s der Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden Polarisationszustände ist.

Die beiden räumlichen Moden der Empfangsfaser (r) (je nach der Stellung des Analysators (9) sind dies entweder der LP₀₁(x)- und der gerade LP₁₁(x)-Modus oder der LP₀₁(y)- und der gerade LP₁₁(y)-Modus) akkumulieren einen Gangunterschied

ΔL_r = l_r · Δn_g,r,

wobei l_r die Länge der Empfangsfaser (r) und Δn_g,r der Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden Moden ist. Dieser Unterschied ist nur unwesentlich von der Polarisation abhängig, so daß an dieser Stelle nicht zwischen der x- und y-Polarisation unterschieden wird. Die Faserlängen l_s und l_r werden so gewählt, daß ΔL_s und ΔL_r innerhalb der Kohärenzlänge der Lichtquelle (1) gleich sind.

Am Ende der Empfangsfaser (r) gibt es Lichtwellen mit einem relativen Gangunterschied von ΔL_r - ΔL_s ≈ 0, die miteinander kohärent interferieren und Lichtwellen mit relativen Gangunterschieden von L_s und ΔL_r (mit ΔL₅ ≈ ΔL_r) sowie ΔL₅ + ΔL_r, welche inkohärent interferieren und lediglich einen konstanten Untergrund zum Interferenzmuster liefern. Wichtig ist, daß ΔL_s bzw. ΔL_r deutlich größer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle (1) sind.

In einer Sensorfaser (s) mit einer Länge der großen Hauptachse des Faserkerns (14) von 4 µm, einer Länge der kleinen Hauptachse von 2 µm, einem Brechungsunterschied zwischen Faserkern (14) und Fasermantel (15) von 0,03 und einer Faserlänge von 1 m wurde für die beiden orthogonalen Polarisationen ein akkumulierter optischer Wegunterschied von etwa 0,2 mm bei einer Wellenlänge von 780 nm gemessen. Der Unterschied zwischen den Gruppenbrechungsindizes der beiden Polarisationszustände des LP₀₁-Grundmodus der Sensorfaser (s) ist nahezu unabhängig von der Wellenlänge. Im Gegensatz dazu ist der Gruppenbrechungsunterschied zwischen den beiden räumlichen Moden LP₀₁ und LP₁₁ der Empfangsfaser (r) stark abhängig von der Wellenlänge des Lichtes.

Die Empfindlichkeit der Fasern, d. h. die differentielle Phasenänderung bei einer gegebenen Längenänderung der Faser, wird im wesentlichen durch den Unterschied der effektiven Brechungsindizes, den die interferierenden Wellen "sehen", bestimmt. Für Fasern mit einem elliptischen Faserkern (14) des oben genannten Typs ist für eine Phasenverschiebung von 2π zwischen den räumlichen Moden (LP₀₁) und (LP₁₁) eine Längenänderung von ca. 100 µm erforderlich. Die gleiche Phasenverschiebung zwischen den orthogonalen Polarisationen des Grundmodus (LP₀₁) erfordert eine Längenänderung von ca. 1,5 mm. Wird also bei einem optischen Spannungssensor die 2Moden-Sensorfaser nach dem eingangs genannten Stand der Technik durch eine polarimetrische Faser (s) ersetzt, so können mit unverändertem Detektionssystem 15fach höhere Spannungen gemessen werden.

Ein Differenzbildner (10), dem eingangsseitig die Ausgangsspannungen (U1) und (U2) der Lichtdetektoren (D1, D2) zugeführt sind, liefert ausgangsseitig eine Differenzspannung (ΔU) an einen Regler bzw. Differenzspannungsregler (11), welcher die Differenzspannung (ΔU) auf 0 regelt. Dieser Differenzspannungsregler (11) liefert ausgangsseitig ein Signal (S), das sowohl einen Gleich- als auch einen Wechselspannungsanteil enthält. Dieses Signal (S) gelangt über ein Tiefpaßfilter (TP) an einen Gleichspannungsverstärker (12), welcher ausgangsseitig eine Kompensationsspannung (U12) an den Modulator (8) überträgt. Das Signal (S) ist ferner einem Sperrfilter (13) für die Resonanzfrequenz des Modulators (8) zugeführt, welches ausgangsseitig eine Kompensationsspannung (U13) an den Modulator (7) überträgt. Das Sperrfilter (13) hat die Aufgabe, ein Schwingen des Regelkreises auf der Resonanzfrequenz des Modulators (8) zu verhindern. Die Kompensationsspannung (U13) ist proportional zu der zu messenden elektrischen Wechselspannung und somit gleichzeitig ein Ausgangssignal der faseroptischen Meßeinrichtung. Die für eine gegebene Modulatorspannung hervorgerufene optische Phasenverschiebung ist abhängig von der Geometrie und vom Material des Modulators (7, 8) sowie vom Typ der Lichtfaser und der Länge des mit dem Modulator (7, 8) in Verbindung stehenden Lichtfasersegments. Der Modulator (7, 8) kann z. B. so ausgelegt sein, daß eine Kompensationsspannung (U13) von ±3 V eine differentielle optische Phasenverschiebung von ±10° zwischen den räumlichen Moden LP₀₁ und LP₁₁ bewirkt.

Fig. 6 zeigt eine faseroptische Meßeinrichtung, bei der die Sensorfaser (s) in Reflexion betrieben wird. Licht von der Lichtquelle (1) wird über die Zuleitungsfaser (2), einen Spleiß (17), einen Faserkoppler (18), einen Spleiß (19), eine weitere Zuleitungsfaser (20), welche gleiche optische Eigenschaften wie die Zuleitungsfaser (2) aufweist, und den Spleiß (3) der Sensorfaser (s) zugeführt, welche endseitig mit einer reflektierenden Beschichtung (21) versehen ist. Im Faserkoppler (18) wird das Licht vorzugsweise im Verhältnis 1 : 1 aufgeteilt. Das Licht wird am Ende der Sensorfaser (s) in der Beschichtung (21) reflektiert und durchläuft die Sensorfaser (s) ein 2. Mal. Über die Zuleitungsfaser (20), den Spleiß (19), den Faserkoppler (18) und den Spleiß (5) gelangt ein Teil des reflektierten Lichtes in die Empfangsfaser (r), an deren Ende wiederum das Interferenzmuster der beiden Moden (LP₀₁) und (LP₁₁) hinter dem Analysator (9) detektiert wird. Zur Kompensation des in der Sensorfaser (s) akkumulierten Gangunterschiedes zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen können 2 hohlzylindrische Modulatoren (7) und (8) gemäß Fig. 1 mit der Empfangsfaser (r) in Wirkverbindung stehen oder nur ein hohlzylindrischer Modulator (22), wie in Fig. 6 schematisch dargestellt. Bei dem Modulator (22) wird die Kompensationsspannung (U13) an der Innenseite bzw. Innenwand des Hohlzylinders angelegt und die Kompensationsspannung (U12) an dessen Außenseite bzw. Außenwand oder umgekehrt (nicht dargestellt). Die Auswerteinrichtungen sind gleich wie in Fig. 1.

Zu beachten ist, daß sich infolge des 2maligen Lichtdurchlaufs durch die Sensorfaser (s) der akkumulierte Gangunterschied zwischen den orthogonalen Polarisationszuständen und die Amplitude der differentiellen Phasenmodulation im Vergleich zur Transmissionsanordnung gemäß Fig. 1 verdoppeln. Bei der Dimensionierung der Sensoren (7, 8; 22), der Sensorfaser (s) und der Empfangsfaser (r) ist dies entsprechend zu berücksichtigen.

Die Reflexionsanordnung gemäß Fig. 6 ist besonders bei großen Abständen zwischen einem Meßkopf mit der Sensorfaser (s) und einer Sende-/Empfangseinheit mit der Lichtquelle (1) und der Empfangsfaser (r) mit nachgeordneten Empfangs- und Steuereinrichtungen (9, D1, D2, 10-13, TP) geeignet, da sich im Vergleich zur Transmissionsanordnung gemäß Fig. 1 die benötigte Faserlänge zur Lichtübertragung zwischen den beiden Einheiten halbiert. Ebenso halbiert sich die Anzahl etwa benötigter Lichtfaserstecker (nicht dargestellt).

Fig. 7 zeigt einen hohlzylindrischen Modulator (22′) mit einer geerdeten Elektrodenbeschichtung (25) an dessen Innenwand und 2 durch eine elektrodenfreie Zone (a) voneinander beabstandete und elektrisch gegenseitig isolierte Elektrodenbeschichtungen (23, 24) an dessen Außenwand. An eine der beiden Elektrodenbeschichtungen (23) ist die Kompensationsspannung (U12) und an die andere (24) die Kompensationsspannung (U13) angelegt. Ein derartiger Modulator (22′) kann anstelle des Modulators (22) in Fig. 6 eingesetzt werden. Es versteht sich, daß Innen- und Außenelektroden vertauscht sein können. Eine der beiden Elektrodenbeschichtung (23, 24) kann außen und die andere innen am Modulator (22′) angebracht sein. Es versteht sich ferner, daß die Modulatoren (22, 22′) gemäß den Fig. 6 und 7 auch für die Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet werden können.

Anstelle der 2Moden-Empfangsfaser (r) kann grundsätzlich auch eine polarimetrische Lichtfaser verwendet werden. Die optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) sind dann im Spleiß (5) unter einem Winkel von 45° ± ε bezüglich der Achsen der Rückleitungsfaser (2′) ausgerichtet. Falls die Empfangsfaser (r) über eine Luftstrecke oder direkt mit der Sensorfaser (s) in optischer Verbindung steht, sind die optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) entweder unter einem Winkel von 45° ±ε oder unter einem Winkel von 90° ±ε bezüglich der optischen Hauptachsen (x′, y′) der Sensorfaser (s) angeordnet. Die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) der Empfangsfaser (r) akkumulieren einen Gangunterschied

ΔL_r - l_r Δn_g,r*,

wobei Δn_g,r der Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) der Empfangsfaser (r) ist. Für ΔL_s und ΔL_r gelten wieder die weiter oben angegebenen Bedingungen. Am Ende der Empfangsfaser (r) werden die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) mit Hilfe der in Fig. 8 oder 9 angegebenen optischen Anordnungen zur Interferenz gebracht. Die beiden gegenphasigen Interferenzsignale werden wieder mit den Lichtdetektoren (D1, D2) detektiert.

Gemäß Fig. 8 wird das aus der Empfangsfaser (r) austretende Lichtbündel mittels einer Linse (L) auf einen Strahlteiler (ST) fokussiert und darin in 2 Teilstrahlen zerlegt, welche über Polarisatoren (P1, P2) zu den Lichtdetektoren (D1, D2) gelangen. Die Kanten des Strahlteilers (ST) stehen unter einem Winkel von 45° ±10° zu den optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r). Der Polarisator (P1) steht unter einem Winkel von 45° ±ε und der Polarisator (P2) unter einem Winkel von -45° ±ε zu einer der beiden optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r).

Gemäß Fig. 9 werden die beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁(x)) und (LP₀₁(y)) der Empfangsfaser (r) mittels einer Linse (L) auf ein Wollastonprisma (W) fokussiert und darin zur Interferenz gebracht. Die optische Achse des Wollastonprismas (W) steht unter einem Winkel von 45° ±ε zu den optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r). Bei genügender Kompaktheit der optischen Anordnungen gemäß den Fig. 8 und 9 kann die Linse (L) auch entfallen.

Es versteht sich weiterhin, daß anstelle von Quarzzylindern und Piezokeramiken auch andere piezoelektrische Bauelemente als Sensorelement (6) und als Modulatoren (7, 8, 22, 22′) verwendet werden können.

Prinzipiell können die Zuleitungsfasern (2, 20) und die Rückleitungsfaser (2′) entfallen. Das polarisierte Licht könnte z. B. durch die Luft oder durch Vakuum übertragen und mit Hilfe von Linsen in die Lichtfasern eingekoppelt werden.

Anstatt der elektrischen Spannung kann auch eine andere physikalische Größe gemessen werden, sofern sie eine Längenänderung der Sensorfaser (s) bewirkt, die eindeutig dieser physikalischen Größe zugeordnet werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Lichtquelle, Mehrmodenlaser
2, 20 Einmodenlichtfasern, hochdoppelbrechende Einmodenglasfasern, Zuleitungsfasern
2′ Einmodenlichtfaser, hochdoppelbrechende Einmodenglasfaser, Rückleitungsfaser
3-5, 17, 19 Spleiße, Glasfaserverbindungen
6 Sensorelement, Quarzzylinder
7, 8, 22, 22′ Modulatoren
9 Analysator
10 Differenzbildner
11 Regler, Differenzspannungsregler
12 Gleichspannungsverstärker
13 Sperrfilter
14 Faserkern
15 Fasermantel
18 Faserkoppler
21 reflektierende Beschichtung
23-25 Elektrodenbeschichtungen
a elektrodenfreie Zone
D1, D2 Lichtdetektoren, optoelektrische Detektoren, Photodioden
L Linse
LP₀₁ optischer Grundmodus
LP₁₁ optischer gerader Modus
P1, P2 Polarisatoren
r optische 2Modenlichtfaser, polarimetrische Lichtfaser, Empfangsfaser
s polarimetrische optische Faser, Sensorfaser
S Signal am Ausgang von 11
ST Strahlteiler
U1, U2 Ausgangsspannungen von D1, D2
U12 Ausgangssignal von 12, Kompensationsspannung, Kompensationspotential
U13 Ausgangssignal von 13, Kompensationsspannung, Kompensationspotential
TP Tiefpaßfilter
W Wollastonprisma
x, y; x′, y′ optische Hauptachsen
ΔU Differenzspannung
ε Differenzwinkel, Toleranzwinkel.

Claims

1. Faseroptische Meßeinrichtung

a) mit einer Lichtquelle (1) zum Aussenden von linearpolarisiertem Licht,
b) mit einer Sensorfaser (s), die mit einem piezoelektrischen Sensorelement (6) mechanisch und mit der Lichtquelle (1) optisch in Verbindung steht,
c) mit einer Empfangsfaser (r), die mit mindestens einem Modulator (7, 8; 22, 22′) mechanisch und mit der Sensorfaser (s) optisch in Verbindung steht, und
d) mit mindestens 2 Lichtdetektoren (D1, D2), welche mit der Empfangsfaser (r) in optischer Verbindung stehen und ausgangsseitig Signale (U1, U2) liefern, welche proportional zur empfangenen Lichtintensität sind, dadurch gekennzeichnet,
e) daß die Sensorfaser (s) eine polarimetrische Lichtfaser ist, keine Zweimodenfaser.

2. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die optischen Hauptachsen (x′, y′) der Sensorfaser
(s) unter einem Winkel von 45° ±ε zur Polarisationsrichtung eines von der Lichtquelle (1) einfallenden Lichtstrahles und
b) ebenfalls unter einem Winkel von 45° ±ε zu zueinander orthogonalen optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) stehen, wobei ε ein vorgebbarer Toleranzwinkel ist.

3. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der Toleranzwinkel ε 30°,
b) insbesondere, daß der Toleranzwinkel ε 10° ist.

4. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfaser (r) über einen Analysator (9) mit den Lichtdetektoren (D1, D2) in optischer Verbindung steht.

5. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator (9) am Ende der Empfangsfaser (r) parallel zu einer der beiden optischen. Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) ausgerichtet ist mit einem Toleranzwinkel von ±10°.

6. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfaser (r) eine 2Modenlichtfaser ist.

7. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Lichtquelle (1) niederkohärentes Licht aussendet und
b) daß für die Sensorfaser (s) und für die Empfangsfaser (r) wenigstens annähernd die Bedingung: l_s · Δn_g,s = l_r · Δn_g,rgilt, mit l_s = Länge der Sensorfaser (s), Δn_g,s = Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden orthogonalen Polarisationszustände (LP₀₁ (x′)) und (LP₀₁(y′)) des Grundmodus (LP₀₁) der Sensorfaser (s) mit den beiden zueinander orthogonalen optischen Hauptachsen (x′, y′), l_r = Länge der Empfangsfaser (r) und Δn_g,r = Unterschied der Gruppenbrechungsindizes der beiden räumlichen Moden (LP₀₁) und (LP₁₁) der Empfangsfaser (r),
c) insbesondere, daß die Lichtquelle (1) eine Kohärenzlänge aufweist, die kleiner als l_s · Δn_g,s ist.

8. Faseroptische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Empfangsfaser (r) eine polarimetrische Lichtfaser ist und
b) daß die optischen Hauptachsen (x, y) der Empfangsfaser (r) unter einem Winkel von 45° ±ε zur Polarisationsrichtung eines von der Sensorfaser (s) übermittelten Lichtstrahles stehen, wobei ε ein vorgebbarer Toleranzwinkel ist,
c) insbesondere, daß die Empfangsfaser (r) über einen Strahlteiler (ST) und 2 nachgeordnete Polarisatoren (P1, P2) oder
d) über ein Wollastonprisma (W) mit den Lichtdetektoren (D1, D2) in optischer Verbindung steht.

9. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der mindestens eine Modulator (22) hohlzylindrisch ist,
b) daß an dessen Innenwand ein niederfrequentes Kompensationspotential (U13) und
c) daß an dessen Außenwand ein höherfrequentes Kompensationspotential (U12) anliegt
d) oder umgekehrt.

10. Faseroptische Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

a) daß der mindestens eine Modulator (22′) hohlzylindrisch ist und
b) auf seiner Innen- oder Außenwand 2 elektrisch gegenseitig isolierte Elektrodenbeschichtungen (23, 24) aufweist,
c) von denen eine mit einem niederfrequenten Kompensationspotential (U13) und
d) die andere mit einem höherfrequenten Kompensationspotential (U12) in elektrischer Verbindung steht.